一、背景
最近看到新浪微博的发号器算法，就想着自己也研究一番其中的原理，然后各种查资料，为此自己又巩固了一次位运算、计算机原码、补码、反码等相关知识。
感觉很不错，因为有那么一件事情或者目标推动你学习，我感觉是挺好的，如果漫无目的反而很难坚持下去，所以在此也推荐给大家。
二、为什么要实现发号器
很多地方我们都需要一个全局唯一的编号，也就是uuid。举一个常见的场景，电商系统产生订单的时候，需要有一个对应的订单编号。在composer上我们也可以看到有很多可以产生uuid的优秀组件。那么，为什么我们还要自己实现发号器，来产生uuid呢？想了一下，主要有两个原因吧：
1、我希望uuid是可反解的，通过反解uuid可以得出和我业务相关的数据。而我看到的composer关于uuid的相关组件，生成的都是一串指定格式的字符串，我很难将它同具体的业务关联起来。
2、我希望通过uuid是可以随着并放量进行调整的。比如说原有支持1秒钟可以产生1000个uuid，但随着业务规模增长，我希望变成可以支持1秒钟产生一万个。而且，最好改下配置就可以了。
出于以上两个原因，我们需要自己的发号器来产生uuid。那么，下一个问题是，我们应该如何实现发号器，实现发号器的原理又是什么呢？
三、snowFlake算法
关于发号器的实现原理，可能大家都听过鼎鼎大名的snowflake算法 -- 雪花算法，Twitter的分布式自增Id算法，
推特的分布式自增ID算法，使用long （8 × 8 = 64 byte）来保存uuid。其中1bit留给固定符号位0，41bit留给毫秒时间戳，10bit给MachineID，也就是机器要预先配置，剩下12位留Sequence（可支持1毫秒内4096个请求）。
也许有的人会问如果超过了1毫秒4096个请求怎么办？一般的做法是，让它等上1毫秒，促使41bit的时间戳变化。
这里我们将MachineId进行了拆分，5byte留给机器（最多可以支持32机器），5byte留给了业务号（最多可支持32种业务）
这里的时间戳保存的是当前时间与固定过去时间得一个差值，不是当前时间。这样的好处是能使用更长时间，而且不受年份限制，只取决于从什么时候开始用的，2^41 / 1000360024*365=69年。
如果保存的是当前时间戳，最多只能使用到2039年。2^41=2199023255552=2039/9/7 23:47:35
理论上单机速度：2^12*1000 = 4 096 000/s
四、如何保证在单位时间内持续递增
通过对snowflake的初步了解，发现，其实发号器也是建立在时间戳基础之上的，因为时间是天然的唯一元素。但是，如何在单位时间内，比如说一秒钟或者一毫秒之内，保证Sequence持续递增才是发号器实现的关键。
这里我们实现的方式比较简单，直接使用redis的incr进行计数，对应的key就是毫秒时间戳。出于redis内存回收的考虑，我们需要将每一个key设置过期时间。如果key是秒级别的时间戳，那么过期时间就是1秒；如果key毫秒级别的时间戳，那么过期时间就是1毫秒。
与此同时，为了保证执行incr，expire（pexpire）具有原子性，我们使用lua来进行实现。
五、demo
<?php
class SignGenerator
{
CONST BITS_FULL = 64;
CONST BITS_PRE = 1;//固定
CONST BITS_TIME = 41;//毫秒时间戳 可以最多支持69年
CONST BITS_SERVER = 5; //服务器最多支持32台
CONST BITS_WORKER = 5; //最多支持32种业务
CONST BITS_SEQUENCE = 12; //一毫秒内支持4096个请求
CONST OFFSET_TIME = "2021-11-12 00:00:00";//时间戳起点时间
/**
* 服务器id
*/
protected $serverId;
/**
* 业务id
*/
protected $workerId;
/**
* 实例
*/
protected static $instance;
/**
* redis 服务
*/
protected static $redis;
/**
* 获取单个实例
*/
public static function getInstance($redis)
{
if(isset(self::$instance)) {
return self::$instance;
} else {
return self::$instance = new self($redis);
}
}
/**
* 构造初始化实例
*/
protected function __construct($redis)
{
if($redis instanceof \Redis || $redis instanceof \Predis\Client) {
self::$redis = $redis;
} else {
throw new \Exception("redis service is lost");
}
}
/**
* 获取唯一值
*/
public function getNumber()
{
if(!isset($this->serverId)) {
throw new \Exception("serverId is lost");
}
if(!isset($this->workerId)) {
throw new \Exception("workerId is lost");
}
do{
$id = pow(2,self::BITS_FULL - self::BITS_PRE) << self::BITS_PRE;
echo "id=",$id,"\n";
//时间戳 41位
$nowTime = (int)(microtime(true) * 1000);
$startTime = (int)(strtotime(self::OFFSET_TIME) * 1000);
$diffTime = $nowTime - $startTime;
$shift = self::BITS_FULL - self::BITS_PRE - self::BITS_TIME;
$id |= $diffTime << $shift;
echo "diffTime=",$diffTime,"\n";
echo "id=",$id,"\n";
//服务器
$shift = $shift - self::BITS_SERVER;
$id |= $this->serverId << $shift;
echo "serverId=",$this->serverId,"\n";
echo "id=",$id,"\n";
//业务
$shift = $shift - self::BITS_WORKER;
$id |= $this->workerId << $shift;
echo "workerId=",$this->workerId,"\n";
echo "id=",$id,"\n";
//自增值
$sequenceNumber = $this->getSequence($id);
echo "sequenceNumber=",$sequenceNumber,"\n";
if($sequenceNumber > pow(2, self::BITS_SEQUENCE)) {
usleep(1000);
} else {
$id |= $sequenceNumber;
return $id;
}
} while(true);
}
/**
* 反解获取业务数据
*/
public function reverseNumber($number)
{
$uuidItem = [];
$shift = self::BITS_FULL - self::BITS_PRE - self::BITS_TIME;
$uuidItem['diffTime'] = ($number >> $shift) & (pow(2, self::BITS_TIME) - 1);
$shift -= self::BITS_SERVER;
$uuidItem['serverId'] = ($number >> $shift) & (pow(2, self::BITS_SERVER) - 1);
$shift -= self::BITS_WORKER;
$uuidItem['workerId'] = ($number >> $shift) & (pow(2, self::BITS_WORKER) - 1);
$shift -= self::BITS_SEQUENCE;
$uuidItem['sequenceNumber'] = ($number >> $shift) & (pow(2, self::BITS_SEQUENCE) - 1);
$time = (int)($uuidItem['diffTime']/1000) + strtotime(self::OFFSET_TIME);
$uuidItem['generateTime'] = date("Y-m-d H:i:s", $time);
return $uuidItem;
}
/**
* 获取自增序列
*/
protected function getSequence($id)
{
$lua = <<<LUA
local sequenceKey = KEYS[1]
local sequenceNumber = redis.call("incr", sequenceKey);
redis.call("pexpire", sequenceKey, 1);
return sequenceNumber
LUA;
$sequence = self::$redis->eval（$lua, [$id], 1);
$luaError = self::$redis->getLastError();
if(isset($luaError)) {
throw new \ErrorException($luaError);
} else {
return $sequence;
}
}
/**
* @return mixed
*/
public function getServerId()
{
return $this->serverId;
}
/**
* @param mixed $serverId
*/
public function setServerId($serverId)
{
$this->serverId = $serverId;
return $this;
}
/**
* @return mixed
*/
public function getWorkerId()
{
return $this->workerId;
}
/**
* @param mixed $workerId
*/
public function setWorkerId($workerId)
{
$this->workerId = $workerId;
return $this;
}
}
$redis = new Redis;
$redis->connect("127.0.0.1", 6379);
$instance = SignGenerator::getInstance($redis);
$instance->setWorkerId(2)->setServerId(1);
$number = $instance->getNumber();
echo "number".$number."\n";
$item = $instance->reverseNumber($number);
var_dump($item);
?>运行看看，发现生成的参数和反解析出来的是一样的。
id=0
diffTime=54767209
id=229710323777536
serverId=1
id=229710323908608
workerId=2
id=229710323916800
sequenceNumber=1
number229710323916801
array(5) {
["diffTime"]=>
int(54767209)
["serverId"]=>
int(1)
["workerId"]=>
int(2)
["sequenceNumber"]=>
int(1)
["generateTime"]=>
string(19) "2021-11-12 15:12:47"
}
六、参考资料
- Sina Visitor System
- 转发参考的知识文章
- 位运算知识
- 原码、补码、反码
